The impact of the piston bearing surface stepped profile microgeometry on friction losses in the supercharged combustion engine

The currently designed engines are usually supercharged and are characterized by high values of the boost pressure. As a result high values of maximum combustion pressure are obtained. This in turn leads to the occurrence of high mechanical loads and thermal stresses on elements of the crank mechanism. The piston is the most mechanically and thermally loaded engine component. Geometry of the gap between piston bearing surface and cylinder liner significantly affects the total friction losses of the internal combustion engine. On the basis of previous research it appears that friction losses depend more on the area of the piston bearing surface which is covered with the oil film than on the thickness of the oil layer separating collaborating parts. Properly designed barrel shape of the piston bearing surface is a way to reduce the oil film cover area. Another shape which could lead to reduce the oil film cover area is the stepped profile. The stepped profile, contrary to the barrel shape, can be obtained by covering the cylindrical or tapered piston bearing surface with a thin layer of graphite. In this paper the results of simulation for the stepped piston bearing surface are presented.

Obecnie silniki spalinowe projektowane są zazwyczaj z systemem doładowania i charakteryzują się wysokimi wartościami ciśnienia doładowania. W rezultacie uzyskuje się wysokie wartości maksymalnego ciśnienia spalania. W konsekwencji prowadzi to do występowania dużych obciążeń mechanicznych i cieplnych elementów mechanizmu korbowego. Najbardziej narażonym na obciążenia mechaniczne i cieplne elementem silnika jest więc tłok. Geometria szczeliny pomiędzy powierzchnią nośną tłoka i tulei cylindrowej znacząco wpływa na całkowite straty tarcia silnika spalinowego. Na podstawie wcześniejszych badań można stwierdzić, że straty tarcia bardziej zależą od obszaru powierzchni nośnej tłoka, która pokryta jest warstwą oleju, niż od grubości warstwy oleju rozdzielającej współpracujące elementy. Odpowiednio zaprojektowany kształt baryłkowy powierzchni nośnej tłoka jest sposobem na zmniejszenie obszaru pokrycia filmu olejowego. Innym kształtem, który może doprowadzić do zmniejszenia obszaru pokrycia filmu olejowego jest schodkowy profil powierzchni nośnej tłoka. Schodkowy profil, w przeciwieństwie do kształtu baryłkowego, można uzyskać, nanosząc na cylindryczną lub stożkową powierzchnię nośną tłoka cienką warstwę grafitu. W artykule przedstawiono wyniki symulacji dla schodkowej powierzchni nośnej tłoka, zmierzającej do zmniejszenia strat tarcia dla warunków pracy doładowanego silnika o zapłonie iskrowym i samoczynnym.